缸体缸盖气孔缺陷的产生及防止措施

＿　嗣蓬ｌ　—　一｜誊；誊ｊＩ　缸体缸盖气孑Ｌ缺陷的产生及防止措施　李连杰，韩振中　（无锡一汽铸造有限公司，江苏无锡２１４０２６）　摘要：介绍了铸铁侵入性气孔缺陷的形成机理和位置特征；在生产实践中通过减少砂芯（型）发气量、增加砂芯（型）排气、提高浇　注温度、合理控制浇注时间等措施，达到了预防和降低灰铸铁缸体、缸盖气孔缺陷。　关键词：灰铸铁；缸体；缸盖；气孑Ｌ　中图分类号：ＴＧ２５０．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—８３４５（２０１０）Ｚ１—００６２—０５　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｌｏｗｈｏｌｅ　Ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　Ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　Ｈｅａｄ　ＬＩ　Ｌｉａｎ－ｊｉｅ，ＨＡＮ　Ｚｈｅｎ—ｚｈｏｎｇ　（Ｗｕｘｉ　Ｆｉｒｓｔ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｆｏｕｎ＆ｙ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｘｉ　２　１　４０２６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＳＯｌ－ｉＳ　ｏｆ　ｂｌｏｗｈｏｌｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｅｔｅｒｉｓｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｒｒｎｐｔｉｖｅ　ｂｌｏｗｈｏｌｅ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｂｙ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｇａｓ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓａｎｄ　ｃｏｒｅｓ（ｍｏｕｌｄｓ），ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｖｅｎｔｉｎｇ　ｈｏｌｅｓ　ｏｆ　ｃｏｒｅｓ　ａｎｄ　ｍｏｕｌｄｓ，ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｐｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，　ｐｒｏｐｅｒｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｏｕｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｅｔｃ．，ｔｈｅ　ｂｌｏｗｈｏｌｅ　ｄｅｆｅｅｔｓ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｌｏｃｋｓ　ａｎｄ　ｈｅａｄｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｙ　ｉｒｏｎ；ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｌｏｃｋ；ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｈｅａｄ；ｂｌｏｗｈｏｌｅ　气孔是发动机缸体、缸盖生产中最常见的缺陷　之一，也是铸造生产中较难预防和控制的问题。影　响气孔产生的因素非常多，各因素问关系交错复杂，　而且生产中任何一个小的疏忽也有可能导致气孔缺　陷产生，甚至天气潮湿也会导致铸件气孔废品率上　升。　产生大量的气体。当铁液将铸件所有砂芯包裹后，　如果砂芯产生的气体不能顺利排出，则非常容易产　生气孔缺陷。经笔者分析，这类气孑Ｌ缺陷应属侵人　性气孔范畴。　１　侵入性气孔的形成机理　铁液进入铸型后，铸型、砂芯、涂料、粘结剂等在　金属液热作用下气化、分解或燃烧生成大量气体，气　体的体积随着温度的升高而增大，造成气体的压力　不断增大。当界面上局部气体的压力Ｐ气大于金属　液表面包括表面张力在内的反压力ＸＰ（ＸＰ＝　Ｐ静＋Ｐ阻＋Ｐ腔）时　，气体就能进入铁液，形成气泡，气　泡如果不能顺利排出，则在铸件内形成气孑Ｌ。也就　气孔从其产生机理来分，可以分为裹人性气孔、　侵人性气孔、析出性气孔和反应性气孑ＬＩｌ１。其中，侵人　性气孔又叫外因气孔，是一种物理性气孔，它体积比　较大，孑Ｌ壁圆滑，表面呈氧化色，形状不规则，经常出　现在铸件浇注位置的顶部，是由于型（芯）或其他发气　元素产生的气体进入铁液中不能及时排出所致。　相对于其他铸件，发动机缸体、缸盖由于其功能　性要求多，铸件结构复杂，砂芯众多，浇注过程中会　收稿日期：２０１０—０２—２２　修定日期：２０１０—０３—１７　是说，当Ｐ气＞ＥＰ时，就容易形成气孔缺陷。　２侵入性气孔的位置特征　根据Ｐ气＞∑尸理论，可以解释和说明气孔容易　作者简介：李连杰（１９７５．１１一），男，汉族，山东宁ＩｒｍＡ．，毕业于华中理　工大学，工程师，主要从事柴油机缸体、缸盖铸件的开发与改进３－作。　囵塑　《现代铸铁》　曩　。　囊｜　蠢　。誊尊｜誊　。　：蔫薯ｌ　呦　－　匮　产生的位置。在铸件浇注位置的底部很少发现气孔，　这是因为浇注位置底部铁液压力大，对气体侵入形　成的阻力就大，气体不能侵入；或者即使能侵入铁　液，但由于铁液静压力比较高，也容易浮到铸件的上　部。相反，对于铸件浇注位置的顶部，特别是一些气　眼针的根部、厚大部位、热节部位（如图１），由于其　Ｐ静小，铸件结壳晚（Ｐ阳小），这样气体就比较容易侵　入，形成气孔。特别对于气眼针根部，由于其局部热　节大，铁液结壳晚，铁液凝固程度和粘度形成的Ｐ阻　小，气体容易侵入；再者，由于气眼针同时也在向外　界排气，形成局部负压，更加有利于气孔向气眼针根　部聚集，所以我们经常在铸件气眼针根部发现气孑Ｌ。　对于一些薄壁位置则很少发现气孔，因这些位置虽　然Ｐ静也比较小，但由于薄壁位置铁液冷却快，结壳　早，形成的Ｐ阳非常大，阻止了气孑Ｌ的侵入。但对于　一些竖筋位置（如图２），由于其结构特征，形成了一　种天然的排气通道，虽然铁液也结壳比较早，但还是　比较容易产生气孔。　３侵入性气子Ｌ的防止措施　根据Ｐ与＞∑尸理论，防止侵入性气孑Ｌ的发生，就　要从减小Ｐ气的动力和增大∑Ｐ的阻力着手，另外还　要让进入铁液的气体尽快浮出。　３．１减少砂芯（型）发气量　因砂芯大部分被铁液包裹，所以砂芯产生气体　的多少以及气体是否能顺利排出，就决定了铸件产　生气孔概率的大小。特别是发动机缸体、缸盖铸件，　其砂芯数量多、发气量大、气体压力大，砂芯发气量　的多少对铸件气孔的影响显而易见。笔者公司曾生　产４ＪＢ１缸体，当水套砂芯的发气量由１８　ｇ／ｍＬｓ降　低到１４　ｇ／ｍＬ３，在相同的工艺条件下，气孔缺陷的大　小及比例明显下降。　降低砂芯发气量可采用高强度树脂、粗砂、粒形　比较圆整的砂子、宝珠砂等，在保证强度的前提下，　降低树脂加入量，从而减少砂芯的发气量。　除了砂芯要严格控制发气量，外模砂主要是控　制水分及煤粉加入量，以减少外模砂的发气量。煤粉　的加入量可以根据铸件的颜色及粘砂状况作适当调　整，而水分则需要作严格控制，因水分高不但容易引　起气孔，有时还会产生“爆炸性粘砂”，铸件表面形成　一层难以清理的“浆糊”。　３．２增加砂芯（型）排气　排气包括型腔排气和砂芯排气两种形式。　ｔ现代铸铁　增刊　耋壅彗　囵　．■Ｉ蕊霞　Ｉ　ｃｔｓ￣ｄ　Ｃ一硒　ｌｌ　？　｜　型腔排气设置可以参照以下几种方式：螺栓孔　ｊ　性，排气通道越多，排气越畅通，气体压力越低。这里　的砂芯排气通道（俗称“气路”）只排气不走铁液。而　型腔排气则是在浇注前期排气，浇注后期铁液进入　部位采用气眼针的方式。根据螺栓孔的大小可以选　取安装不同直径的气眼针，气眼针比较￣ｍｓＪ＇，Ｍ，可以　不用扎通；厚大部位，可以采用气眼针和出气片相结　合的方式。出气片和比较细小的气眼针，一方面可　以有一定的排气作用；另一方面可以加速铸件的局　后，排气的作用不太显著。据资料『３１介绍，一个成熟　的水套芯工艺，可以将缸筒加工后内表面的气孔废　品率控制在３‰，甚至更低。笔者观察日本铸造同行　缸体缸盖的生产工艺，也是特别注重砂芯排气，因此　从一定程度上来说，对于复杂的缸体、缸盖铸件，砂　芯排气更为重要。　考虑砂芯排气时，要充分利用砂芯的结构形状，　部冷却，阻止气体进入。对于铸件浇注位置的远端　或者比较高的位置，町以采用气眼针和溢流冒口（边　冒口）相结合的方式，溢流冒口可以存放前期进入型　腔的冷铁液，有利于气体排出。采用粗砂或者面砂／　背砂相结合的方式提高型砂透气性，也可以增加型　形成一个排气网络通道。对于缸体、缸盖铸件，水套　芯的出砂孔、上水孑Ｌ、堵片孔，气道芯头，曲轴箱芯　腔的排气能力。　另外，通过增加型腔排气、砂芯排气，可以有效　头，定位芯头等都要尽可能钻出排气通道；对于砂芯　的厚大位置，无法直接增加排气通道时，也要设法形　降低气体压力，减少气孑Ｌ产生的概率。图３ａ、ｂ分明　说明了缸盖、缸体水套砂芯的排气条件对气体压力　的影响，图３ｃ描述了缸盖和缸体铸件产生气孔概率　与气体压力的关系Ｉ２ｊ。　图３中１和２，Ⅱ和Ⅲ为砂芯上未开排气通道；　３和Ｖ为在气孔附近的上芯头上开设出气孑Ｌ道；４和　成一个可以与排气通道相连的“气路”，使得砂芯产　生的大量气体能及时排出。采用成形的管状芯骨也　是一个不错的选择，一方面可以起到芯骨作用，另一　方面也可以起排气通道的作用。　砂芯的“气路”形成以后，一定要避免铁液进入，　否则不但会影响砂芯的排气，严重时还会导致铁液　压力的波动，导致铁液沸腾，形成铁豆、渣气孑Ｌ等缺　Ⅳ为在砂芯上开设几乎贯通砂芯全长的排气道；５　和Ⅵ为砂芯上开设几乎贯通全长的通气道，并在有　关的上芯头开设排气子Ｌ；Ｉ是测定冒泡时的压力。　图３有力地说明了开设砂芯排气通道的重要　陷。为避免铁液进入“气路”，一般情况下是对砂芯和　外模之问、砂芯和砂芯之间的排气通路进行软连接　口塑　铁》增刊一　＿｜＿　ｌ　甏　｜　誊　．　鼍　ｃｏ１酶裔　ｌ　密封。例如在芯头上粘贴石棉片，外模上制作压砂　环或者芯头部位涂胶水等。形成砂芯排气通道后，　还要在砂芯排气通道上的合适位置安装气眼针，确　保浇注过程产生的气体完全排出铸型外面。当砂芯　芯头太小，无法安置合适的气眼针时，可以考虑增加　辅助芯头（图４），以利于气眼针的安装和排气通道　的密封。　另外，砂芯排气通道的设置还要和砂芯涂料作　合适的配置。一般情况下，如果砂芯可以布置排气　网络通道，则砂芯选用屏蔽性涂料；如不能设置排气　通道，砂芯则选用非屏蔽性涂料。　３．３提高浇注温度　提高浇注温度可以有效降低气孔发生的概率。　常规灰铁件浇注温度一般在１　４００℃左右，为了消　除气孔，适当提高浇注温度是可以的，但也不能无限　制地提高浇注温度，因为浇注温度提高还会带来一　系列的其他问题，如粘砂、缩松、水套芯容易断、能耗　增大等。　另外还可以通过调整铸件的温度场，达到上述　提高浇注温度同样的效果，且不会产生由于提高浇　注温度导致的副作用。因气孔发生的位置绝大部分　都在铸件浇注位置的盖箱，所以只要采用阶梯式浇　注系统，并适当提高上层浇口的进铁量，就可以在不　提高浇注温度的情况下有效地解决气孔缺陷，同时　避免了提高浇注温度带来的负面作用。阶梯式浇注　系统对带水套缸体的生产特别重要。因缸体水套芯　的存在，将铁液进行了隔离，导致缸体盖箱温度低，　铁液压力损失很大；同时由于铸件壁薄，铁液冷却　快，也不利于气体上浮。种种作用的结果，导致缸体　浇注位置顶面及缸孔上部（相对于浇注位置）极易产　生气孔缺陷。　３．４合理控制浇注时间　浇注时间也是影响气孔的一个重要因素。在同　样生产条件下，浇注时间延长会导致气孔发生的几　率大大增加。浇注时间长，铁液压力降低、温度降低　多、粘度变大，不利于气体上浮，导致气孔产生的概　率上升。我们曾经生产的ＩＶＥＣＯ缸体，浇注时间从　２６　ｓ延长到３２　ｓ，气孔废品率从２％增到１０％。但浇　注速度也不是越快越好，浇注速度太快，会导致气体　来不及排出，也会产生气孔，甚至还会由于浇注速度　太快，在浇注过程中产生喷射现象。我们生产的　４ＪＢ１缸体，浇注速度从１４～ｌ６　ｓ提高到１２　Ｓ左右，　气孔废品率上升近２％。在实际生产中，需要根据具　体产品的质量、形状，制芯工艺等实际情况，确定合　适的浇注速度。　３．５其他　导致气孔产生的因素非常多，除了上述内容，还　应注意：　（１）确保砂芯、冷铁、芯撑、浇包等完全烘干；　（２）避免合金、孕育剂、已烘干的砂芯由于存放　时间太长而吸潮；　（３）热芯盒砂芯制作，要保证固化温度和固化时　间；　（４）在条件允许的情况下，采用发气速度比较快　的制芯工艺；　（５）浇注过程中要及时进行引火。　《现代铸铁》增刊　圈　▲●■　■濠　越　～　萄’ｓ　毫ｊ　。　ｔ　ｉ　ｔ　。ｊ　　毫＝◇　尊鼍鎏譬　缸体孑Ｌ洞类缺陷的微观分析与研究　程俊伟，郭亚辉，张俊祥，范随长　（中国一拖集团有限公司技术中心工艺材料研究所，河南洛阳４７１００４）　摘要：采用扫描电镜和能谱分析方法，对柴油机缸体孔洞类缺陷的表面微观特征进行了观察和分析，从而对缺陷类别和形成机　理作出正确判断，进而提出相应的改进措施，达到了减少或消除缺陷、降低缸体废品率的效果。　关键词：缸体；缺陷；微观组织　中图分类号：　ｒＧ２５０　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—８３４５（２０１０）Ｚ１—００６６—０４　ＳＥＭ　Ｄｅｆｅｃｔｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　Ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ＣＨＥＮＧ　Ｊｕｎ－ｗｅｉ，ＧＵＯ　Ｙａ—ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ－ｘｉａｎｇ，ＦＡＮ　Ｓｕｉ－ｃｈａｎｇ　（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｉｎａ　Ｆｉｒｓｔ　Ｔｒａｃｔｏｒ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７　ｌ　００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｍｉｅｒｏｓｃ　ｏｐｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｌｏｃｋ’Ｓ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｄｅｆｅｃｔ　ｗｉｔｈ　ＳＥＭ　ａｎｄ　ＥＤＭ，ｔｈｅ　ｓｏｒｔｓ　ｏｆ　ｄｅｆｅｃｔ　ｗｅｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｃａｕｓｉｎｇ　ｄｅｆｅｃｔ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｗａｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｏｒ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｌｏｃｋ　ｗａｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｌｏｃｋ；ｄｅｆｅｃｔ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　缸体的形状复杂、技术要求高，由于在设计过程　中力求尽量降低柴油机单位功率质量和燃油消耗，　解孔洞性质及其形成机理，从而对缺陷类别作出正　确的判断，达到防止和消除这类缺陷的目的。　提高使用的经济性，因此对缸体的强度、刚度和致密　性等方面提出了更高的要求。孑Ｌ洞类缺陷是柴油机　缸体、缸盖生产中的主要铸造缺陷，笔者采用扫描电　镜等仪器观察了缺陷孔壁表面的微观特征，以便了　１　缸体气渣孔缺陷　在汽车用缸体铸件的试制过程中，发现加工后　的铸件表面有形状不规则的渣气孑Ｌ和圆形且内表面　光滑的气孔（如图１、图２所示），根据对缺陷进行电　收稿日期：２０１０—０３　０２　修定日期：２０１Ｏ－０３—１９　镜扫描微观分析，缺陷属气孔和气渣孔，气：ｆＬ￣Ｌ壁表　面覆盖着一薄层片状石墨或碳膜，形状规则。用扫　作者简介：程俊伟（１９６５—１，男，汉族，河南许昌人，毕业于哈尔滨工业　大学毕业，本科，高级工程师，主要从事铸铁工艺及材料研究工作。　４结束语　缸体、缸盖产生气孑Ｌ的原因很多，但只要有一个　（６）：５１－５５．　参考文献　［１］于震宗，龚出群．湿型砂铸铁件的气孔缺陷【ＪＪ．现代铸铁，２００４，　完善的工艺，再加上严格的过程控制，气孑Ｌ缺陷是可　以避免的。同时，铸造是一个系统丁程，各个生产细　节的控制对消除气孑Ｌ缺陷也是不可或缺的。　［２］王文清，李魁胜．铸造工艺学【Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８．　［３］康宽滋．中小型汽车发动机缸体、缸盖常见缺陷与对策［Ｍ】．现代铸　铁２００４，２４（５）：５３—５９．　（编辑：杨ａｗｆｃ．ｃｏｎ）　杨，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｄｚｔｙｙ＠ｆ—囝　薹蔓薹　现代铸铁》增刊～